Dai buchi neri a Fukushima: discussione e misure di radiazione per Pint of Science Italia 2015

Il 18 maggio prossimo alle ore 18:30, presso il bar "Le Mura" di San Lorenzo (Via di Porta Labicana 24) discuteremo e misureremo i vari tipi di radiazione cosmica, ambientale ed artificiale che ci circondano (qui i dettagli). 

 «Lo spazio è radioattivo!» Queste furono le parole pronunciate nel 1958 dai ricercatori che osservarono per la prima volta il contatore Geiger posto a bordo del satellite Explorer 3. La radiazione ionizzante è infatti presente in tutto l'universo: da quella di altissima energia, prodotta da buchi neri e nell'esplosione di supernova e a quella emessa dal Sole o intrappolata intorno alla terra in fasce di protoni ed elettroni. Anche sul nostro pianeta le fonti di radiazione sono molteplici: radon dal sottosuolo, polonio nelle sigarette e persino uranio nei gioielli. L'incidente alla centrale nucleare giapponese di Fukushima-1 ha poi sparso cesio radioattivo nell'ambiente, costringendo all'evacuazione più di 100,000 persone e danneggiano pesantemente l'economia della regione.

Con l'aiuto di varie pinte di birra, partiremo dalle misure di raggi cosmici effettuate su satelliti e a bordo delle stazioni spaziali per discutere della situazione e Fukushima e nel resto del Giappone. In parallelo - utilizzando vari strumenti e rivelatori Geiger misureremo la radiazione ambientale e quella proveniente da varie insospettabili sorgenti radioattive. Con una macchina fotografica cercheremo poi di catturare uno dei tanti raggi cosmici che giungono a terra. 

Questa è solo una delle varie presentazioni organizzate nell’ambito di Pint of Science Italia.

Pint of Science è un festival internazionale organizzato il 18, 19 e 20 Maggio contemporaneamente in nove nazioni: Gran Bretagna, Irlanda, Francia, Stati Uniti, Spagna, Australia, Germania, Brasile e Italia.

L'idea è  di portare i ricercatori al  bar  per discutere le loro ultime ricerche e scoperte. Questa à la prima  edizione italiana, in sei città: Genova, Milano, Pavia, Roma, Siena e Trento, con temi che spaziano dalle neuroscienze all’astrofisica, dall’oceanografia alle nuove tecnologie.

I dati di Planck, il fondo cosmico a microonde ed il Big Bang

A quasi quattro anni dal lancio sono stati resi pubblici i primi dati sul fondo cosmico a microonde della sonda Planck. La precisione delle misure consente di determinare con estrema precisione la quantità di materia ordinaria, oscura, e di energia oscura nel nostro universo.  I primi risultati sono stati raccolti in una trentina di articoli che analizzano in dettaglio i vari risultati della missione. Alcuni dati mostrano piccole ma significative discrepante con i valori attesi, e potrebbero aprire la strada verso teorie più precise sulla nascita ed evoluzione del nostro universo.   

Che cos'è e dove si trova Planck? 

Planck è una sonda costruita dall'Agenzia spaziale Europea,  lanciata nel 2010 e  posta in orbita attorno al secondo punto di Lagrange, sul lato opposto della luna rispetto alla terra.  In questa maniera il calore del nostro pianeta non interferisce con le  le misure.

Che cosa misura?

E' un precisissimo termometro che misura la temperatura dell'universo. Questa è in media pari a 2.75gradi  Kelvin, ossia appena  tre gradi sopra lo zero assoluto.

Ogni oggetto emette radiazione elettromagnetica a seconda della sua temperatura; 
 intensità e  frequenza della radiazione emessa sono descritte dalla legge di Planck.

Sia la legge che il satellite sono intitolate al fisico tedesco che la propose 
per la prima volta nel 1900. 

La  formula poté essere derivata solo abbandonando la vecchia concezione 
della meccanica classica 

ed introducendo concetti propri della meccanica quantistica: 
storicamente fu uno dei colpi più duri al  meccanicismo dell'ottocento.

Spettro della radiazione elettromagnetica emesso dal sole (6000 gradi Kelvin) e da altri corpi a temperatura più bassa.
Il picco di emissioni è radiazione visibile ad occhio nudo (in realtà l'occhio umano si è evoluto per essere sensibile alle frequenze di maggiore intensità del Sole).

Le braci incandescenti del camino emettono luce tanto più bianca quanto più alta  è la temperatura.

Abbassando la temperatura le emissioni sono per lo più verso il rosso  (il colore dei carboni ardenti).

Anche il sole emette radiazione secondo questa legge, ad una temperatura di 6000 gradi Kelvin (la temperatura della sua superficie).

In tutti i casi viene prodotta anche radiazione infrarossa, che è quella che ci scalda. Anche gli esseri viventi emettono  radiazione, ma avendo  una temperatura di 37 gradi Celsius,  solo nell'infrarosso (ed è per questo che di notte siamo visibili solo con appositi sensori infrarossi).

Che cos'è la radiazione cosmica di fondo?

Come già accennato, lo spazio intergalattico si trova a 2.75 gradi Kelvin e quindi emette radiazione nelle microonde. Lo spettro - detto anche spettro di corpo nero - è una delle verifiche più accurate della legge di Planck e dell'esistenza del Big Bang.   Questa radiazione è stata emessa 13.78 miliardi di anni fa, quando l'universo aveva solo 379,000 anni e si era raffreddato abbastanza da permettere agli elettroni di essere catturati dai protoni, formando per la prima volta gli atomi di idrogeno. La temperatura e le frequenze emesse a quel tempo erano molto più elevate, ma l'espansione dell'universo le ha fatte scendere sino al valore attuale. 

Spettro della radiazione cosmica di fondo misurato dal pioneristico satellite COBE alla fine degli anni '80.

Ma allora che misura Planck?

Gli strumenti  misurano la temperatura e lo spettro della radiazione emessa in tutte le direzioni della volta celeste. La mappa mostra le fluttuazioni (minime, circa una parte su 10000) dal valore aspettato, in rosso sotto la media e in blu sopra la media. 

Analizzando l'ampiezza e le dimensioni delle oscillazioni è possibile risalire allo stato dell'universo nei suoi primi istanti di vita: se e  quanto fosse uniforme, come si sia scatenata l'espansione, quanta materia ordinaria ed oscura è presente in esso e così via.

Mappa di Planck delle fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo (da qui).
I puntini rossi rappresentano le direzioni del cielo dove lo spazio appare
leggermente più caldo, in blu dove è più freddo. La mappa è in coordinate galattiche
per cui la galassia (il cui contributo è stato rimosso) giace  su una riga orizzontale al centro dell'immagine.

I dati  di Planck confermano e raffinano le misure precedenti, mostrando come l'universo si sia espanso improvvisamente per poi proseguire la sua crescita in maniera più graduale, mostrando la presenza di fluttuazioni su grande scala maggiore di quanto previsto dai modelli originali. Lo studio delle implicazioni di queste misure devono ancora venire, ma è auspicabile che - assieme agli studi su LHC - possano aiutare a risolvere alcuni dei più grandi misteri della fisica moderna: natura della materia oscura, significato dell'energia oscura, asimmetria materia-antimateria. Già fare un passo nella soluzione di uno di questi enigmi potrebbe aprire la strada a nuove teorie sulla natura del mondo. 

La distribuzione di materia ed energia nell'universo prima e dopo le misure attuali (da qui)